濕度傳感器：工作、類型、應用和Arduino指南

這個濕度傳感器是測量相對濕度、絕對濕度或露點的傳感器。目前，這類傳感器得到了廣泛的應用，并逐漸朝著耐環(huán)境、壽命長、價格低廉的方向發(fā)展。

本文將介紹濕度傳感器的工作原理、類型、分類、應用，以及實時溫濕度監(jiān)測儀Arduino教程。此外，還包括一些基本知識，如相對濕度和絕對濕度的計算。別再浪費時間了！

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如果你只對Arduino指南，您可以從類別跳轉到該部分，下面的視頻是關于arduino不同溫濕度傳感器的精度測試，可以幫助您選擇最佳的。

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在學習濕度傳感器之前，讓我們先看看濕度是多少。

濕度，表示空氣干燥程度的物理量。在一定溫度下，一定體積的空氣中所含的水蒸氣越少，空氣越干燥；水蒸氣越多，空氣就越潮濕?？諝鉂穸鹊某潭确Q為“濕度”。在這個意義上，它通常用物理量來表示，如絕對濕度、相對濕度、相對濕度、混合比、飽和差和露點；如果它代表濕蒸汽中的水蒸氣重量占蒸汽總重量（體積）的百分比，則稱為蒸汽濕度。人體感到舒適的濕度是：相對濕度低于70%。所以問題又來了，相對濕度是多少？

圖1。濕度是多少？

空氣的干燥程度和濕度，或表示其含有多少水蒸氣的物理量，稱為濕度。單位體積空氣中所含的水蒸氣質量稱為絕對濕度。由于水蒸氣密度難以直接測量，通常用水蒸氣壓力來表示。空氣的絕對濕度并不決定地面上水汽的速度和對濕度的感知。人們把空氣在一定溫度下的絕對濕度和在同一溫度下飽和空氣壓力的百分比稱為相對濕度。

更具體地說，絕對濕度是指一定體積的空氣中所含的水蒸氣的質量，其單位一般為g/m3。最大絕對濕度是最大濕度欠飽和。絕對濕度只與溫度一起有意義，因為空氣中可容納的濕度隨溫度而變化，而絕對濕度在不同溫度下也不同，因為空氣的體積也隨溫度而變化。但絕對濕度越接近最高濕度，其隨溫度的變化越小。

絕對濕度計算公式如下：

這些符號是：

e-蒸汽壓，單位為帕斯卡（Pa）

-水的氣體常數(shù)=461.52J/（kg K）T-溫度，單位為開爾文（K）

m——溶解在空氣中的水的質量，單位為千克（kg）

V——空氣體積，單位為立方米（m）。

相對濕度（RH）

濕度計記錄相對濕度。相對濕度是絕對濕度和最大濕度的比值。它的值顯示了水蒸氣的飽和度有多高。相對濕度為100%的空氣為飽和空氣。相對濕度為50%的空氣所含的水蒸氣達到相同溫度下空氣飽和點的一半?？諝庵邢鄬穸瘸^100%的水蒸氣通常會凝結。

隨著溫度的升高，空氣中含有更多的水，也就是說，在相同的水蒸氣量下，溫度升高時，空氣中的相對濕度會降低。因此，在提供相對濕度的同時，還必須提供溫度數(shù)據(jù)。露點也可以根據(jù)相對濕度和溫度來計算。

以下是計算相對濕度的公式：

這些符號是：

ρw——絕對濕度，單位為克/立方米

ρw，最大濕度，單位為g/m3

e—水蒸氣壓力，單位為帕斯卡

E—飽和蒸氣壓，單位為帕斯卡

s—比濕度，單位為克/千克

S—最高比濕度，單位為克/千克

通常，濕度傳感器使用以下四種方法來檢測濕度或冷凝：

（1） 測量濕敏材料的吸濕、分離或冷凝引起的電阻抗或電容變化。

（2） 測量濕度變化引起的氣體熱導率差異。

（3） 測量由于濕度或冷凝的變化而引起的晶體振動器共振頻率的變化。

（4） 測量因濕度變化而通過水滴的α射線引起的衰減、光吸收和反射。

例如，濕敏電阻器的特性是在基板上覆蓋由濕敏材料制成的薄膜。當空氣中的水蒸氣吸附在濕敏膜上時，元件的電阻率和電阻值會發(fā)生變化。一個特性可以測量濕度。

圖2。聚合物薄膜濕度傳感器的工作原理

目前，市場上的濕度傳感器有很多種類型。它們大致分為使用的溫度和濕度范圍，如下表所示。

在上面，我們介紹了四種檢測濕度或冷凝的方法。這些測量方法必須根據(jù)不同的測試環(huán)境進行選擇。市場上最常用的測量方法是第一種，因為它的測量和信號選擇方法非常簡單和廉價。按其制造材料的不同可分為以下六類：

（1） 電解質，如氯化鋰。

（2） 半導體材料，如硒和鍺。

（3） MgCr2O4、ZnCr2O4、TiO2、SnO2等金屬氧化物熔融產物。

（4） 多孔金屬氧化物薄膜，如氧化鋁。

（5） 一種將導電粉末分散在聚合物材料（如尼龍）中制成的材料。

（6） 有機或無機聚合物電解質膜。

由濕敏材料制成的傳感器大致可分為7大類：

（1） 電解液濕度傳感器

（2） 聚合物濕度傳感器

（3） 陶瓷濕度傳感器

（4） 晶體振蕩器濕度傳感器

（5） 半導體濕度傳感器

（6） 厚膜濕度傳感器

（7） 冷凝濕度傳感器

（1） 電阻式濕度傳感器

電阻式濕度傳感器是利用濕度傳感器的電氣特性（如電阻值）隨濕度變化來測量濕度的傳感器。濕度傳感器一般是浸入帶有吸濕性物質的絕緣材料中，或通過蒸發(fā)，通過涂層等工藝制備出一層金屬、半導體、聚合物薄膜和粉末狀顆粒。

在濕敏元件的吸濕除濕過程中，水分子分解的離子H的傳導狀態(tài)發(fā)生變化，使元件的電阻值隨濕度變化。

圖3。電阻式濕度傳感器

優(yōu)勢

1） 與電容式相比，結構更簡單，更容易實現(xiàn)批量生產和價格低廉。

2） 不需要像電容式傳感器那樣考慮引線之間的容量，因此傳感器可以隨意拉伸，具有更大的設計自由度。

3） 由于特性是對數(shù)變化（變化程度較大），所以濕度變化對電阻變化較小。（以這一點為例，電極的偏差對特性的影響程度很小，不穩(wěn)定性也很小，即使有微小的變化，轉換成濕度也很難表現(xiàn)出來。）

缺點

1） 溫度特性比電容式（0.5%rh/℃）大，通常需要溫度補償。

2） 由于特性是對數(shù)變化，如果不處理對數(shù)轉換，則無法獲得線性特性。

3） 由于電阻高，低濕度范圍難以檢測。（大約20%的相對濕度是限制）此外，它很容易受到干擾的影響。

（2） 電容式濕度傳感器

電容式濕度傳感器是濕度傳感器中常用的儀器。它以聚合物濕敏電容器為基本濕敏元件，采用單片機對測量結果進行分析、處理、顯示和遠程傳輸。測量精度為±2.5%。

電容式濕度傳感器主要由玻璃基板、下電極、濕敏材料和上電極組成。兩個下電極與濕敏材料和上電極形成的兩個電容串聯(lián)。濕敏材料是介電常數(shù)隨環(huán)境相對濕度變化的高分子聚合物。

當環(huán)境濕度變化時，濕度傳感器的電容隨之變化，即相對濕度增加時，濕敏電容增大，反之亦然（電容通常在48～56 pf之間）。傳感器的轉換電路將濕敏電容變化轉換為電壓變化，對應于相對濕度從0到100%RH的變化，傳感器的輸出從0到1v線性變化。

圖4。電容式土壤水分傳感器

優(yōu)勢

1） 一般來說，從0%rh開始，可以檢測到低濕度。

2） 電容值相對接近線性，無需對數(shù)變化。

3） 溫度特性比電阻式小（約0.05～0.1%rh/℃），一般不需要溫度補償。

4） 為了提高電容值，將該結構制成薄膜，并且有更多的產品比電阻型具有更快的響應速度。

劣勢

1） 如果用導線延長傳感器，電容值會發(fā)生變化，因此不適合單獨伸出傳感器。另外，如果將其組裝到裝置中，很難通過引線改變位置，因此設計自由度很小。

2） 變化量相對較小，但電容量的微小變化會引起較大誤差。因此，廉價的傳感器有很大的偏差。（用于測量的傳感器也具有非常高的精度，但這些估計公式已經過處理。）

3） 事實上，變化的數(shù)量很小，可以從依賴性的角度說。但是電容的微小變化會產生很大的誤差。因此，可靠性差的傳感器會有較大的濕度變化。

4） 雖然變化量很小，但是其他電路部件的偏差和溫度特性會有較大的影響，所以在選擇電路部件時要小心。

（1） 氯化鋰濕度傳感器

● 電阻式氯化鋰濕度計

某些金屬鹽（如氯化鋰LiCI）在空氣中具有很強的吸濕性，其吸濕性是空氣相對濕度的一定函數(shù)，即空氣中的相對濕度越大，氯化鋰吸收的水分越多。同時，氯化鋰的電導率，即電阻率的大小隨吸濕量的變化而變化，吸水越多，電阻率越小，反之亦然。

因此，可以根據(jù)氯化鋰電阻率的變化來確定空氣的相對濕度。氯化鋰電阻濕度計是利用氯化鋰吸收水分后電阻率變化的特性制成的一種濕度計。

美國標準局F.W.Dunmore研制了第一臺基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕度傳感器。這種元件具有精度高、結構簡單、價格低廉、適用于常溫濕度測量和控制等一系列優(yōu)點。

● 氯化鋰露點濕度計

露點氯化鋰濕度計最早由美國Forboro公司開發(fā)。這種濕度計與上述電阻式氯化鋰濕度計類似，但其工作原理完全不同。簡言之，它利用氯化鋰飽和水溶液的飽和蒸汽壓與溫度作用。

（2） 碳濕度傳感器

碳濕度傳感器是1942年由埃克卡弗和克布雷塞菲爾德在美國首次提出的。與頭發(fā)、套管、氯化鋰等常用探測元件相比，碳濕度傳感器響應速度快，重復性好，無腐蝕效應、磁滯環(huán)窄等優(yōu)點引人注目。碳濕度傳感器的測量不確定度不超過±5%RH，正溫下時間常數(shù)為2～3s，滯后一般在7%左右，比電阻穩(wěn)定性也較好。

（3） 氧化鋁濕度計

氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點是體積小（如探空儀使用的濕度傳感器厚度僅為90μm，重量為12mg），靈敏度高（測量下限可達-110℃露點），響應速度快（一般為0.3s～3s），測量信號直接以電參數(shù)的形式輸出，大大簡化了數(shù)據(jù)處理程序等。此外，它也適用于測量液體中的水分。

（4） 陶瓷濕度傳感器

陶瓷濕度傳感器又稱金屬氧化物濕度傳感器，因為其濕敏材料是由金屬氧化物粉末經壓力成型燒結而成的陶瓷。由于燒結程度的不同，可以得到許多多孔物體，水蒸氣會吸附在多孔表面形成吸附層，吸附層中的氫離子由于水蒸氣的粘附而形成電流載體。當濕度較高時，附著在吸附層上的水蒸氣容易流動。陶瓷濕度傳感器利用這種特性將濕度變化轉化為阻抗值變化的輸出。

圖5。熱凈化型陶瓷濕度傳感器

目前生產集成式濕度傳感器的主要廠家和典型產品有霍尼韋爾（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610）、恒濕膠（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223）、Sensiron（SHT11、SHT15）型）。這些產品可分為以下四類：

線性電壓輸出集成濕度傳感器

典型產品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點是采用恒壓電源，內置放大電路，能輸出與相對濕度成正比的電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。

線性頻率輸出集成濕度傳感器

典型的產品是HF3223型。它采用模塊化結構，是一種頻率輸出集成式濕度傳感器。輸出頻率為8750Hz（型號值），相對濕度為55%。當相對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率從9560Hz降低到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、易于與數(shù)字電路或單片機配套、價格低廉等優(yōu)點。

頻率/溫度輸出集成濕度傳感器

典型的產品是HTF3223。除了HF3223的功能外，還增加了溫度信號輸出端子，并采用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時，電阻值相應變化，并從NTC端子引出，溫度值可以用二次儀表測量。

單片機智能溫濕度傳感器

2002年，Sensiron率先在世界上成功開發(fā)了SHT11和SHT15智能濕度/溫度傳感器。外形尺寸僅為7.6（毫米）×5（毫米）×2.5（毫米），尺寸與火柴頭相似。出廠前，每個傳感器都在溫度室內進行了精度標準化，標準系數(shù)被編譯成相應的程序并存儲在校準存儲器中。

相對濕度可在測量過程中自動校準。它們不僅可以精確測量相對溫度，還可以測量溫度和露點。相對溫度的測量范圍為0-100%，分辨率可達0.03%RH，最高精度為±2%RH。測量溫度范圍為-40℃～+123.8℃，分辨率為0.01℃。露點測量準確度<±1℃。在測量濕度和溫度時，A/D轉換器的數(shù)字可分別達到12位和14位。

采用降低分辨率的方法可以提高測量速率，降低芯片功耗。SHT11/15產品互換性好，響應速度快，抗干擾能力強，不需要外部元件，適應各種單片機，可廣泛應用于醫(yī)療設備和溫濕度調節(jié)系統(tǒng)。

圖6。HTS221電容式數(shù)字濕度傳感器

任何行業(yè)的工作都離不開空氣，空氣的濕度直接關系到工作、生活、生產，因此對濕度的監(jiān)測和控制越來越重要。濕度傳感器的主要應用如下：

（1） 氣候監(jiān)測

氣象測量預報對工農業(yè)生產、軍事和人民生活以及科學實驗都具有重要意義。因此，濕度傳感器是必不可少的濕度測量設備。已在氣象傳感器中使用，如氣球濕度測量儀。打開。

（2） 溫室育種

現(xiàn)代農林牧業(yè)有相當數(shù)量的溫室。溫室的濕度控制和溫度控制一樣重要。把濕度控制在適合農作物、樹木、畜禽生長的適宜范圍內，是減少病蟲害、提高產量的條件之一。

（3） 工業(yè)生產

在紡織、電子、精密機械、陶瓷等行業(yè)，空氣濕度直接影響產品的質量和產量，必須進行有效的監(jiān)測和調控。

（4） 貨物儲存

各種物品對環(huán)境有一定的適應性。如果濕度過高或過低，產品將失去原有性能。例如，在高濕度地區(qū)，電子產品在倉庫中損壞嚴重，非金屬零件會發(fā)霉，金屬零件會腐蝕生銹。

（5） 精密儀器的使用保護

許多精密儀器設備對工作環(huán)境有更高的要求。環(huán)境濕度必須控制在一定范圍內，以保證其正常工作，提高工作效率和可靠性。例如，電話程控交換機的工作濕度最好為55%±10%。溫度過高會影響絕緣性能，過低容易產生靜電，影響正常運行。

（1） 濕度測量系統(tǒng)

● 當溫度低于70°C（通常高于-40°C）時，如果環(huán)境清潔，使用聚合物傳感器，對于嚴重污染使用陶瓷傳感器（加熱清潔再生型）。由于其加熱和清洗過程，無法連續(xù)測量，消耗大量能量（1-10W）。不過，它壽命長，在使用過程中可以選擇加熱清洗周期較長的傳感器，比如氯磷灰石陶瓷傳感器，每2到3個月清洗一次。此外，內部加熱型比外部加熱型消耗更少的能量。

● 在70～100℃范圍內測量濕度，采用陶瓷傳感器加熱清洗，并進行線性和溫度補償，以提高精度。為了達到更高的精度，需要一臺微型計算機。在高溫高濕環(huán)境下，需要經常加熱和清潔。例如，當相對濕度超過80%時，需要30秒清洗一次。最好配備自動加熱清洗裝置。

● 在100～150℃范圍內測量濕度。在世界范圍內，陶瓷濕度傳感器主要用于制作高溫濕度計。

（2） 工業(yè)過程自動控制

為了提高產品質量和節(jié)能降耗，陶瓷濕度傳感器通常用于磁頭加工廠的產品干燥系統(tǒng)、反應器濕度控制、鍋爐水蒸氣泄漏檢測、集成電路或空調等控制；各種空調系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)的濕度控制可采用高分子或陶瓷濕度傳感器進行。

（3） 蒸汽檢漏系統(tǒng)

在火力發(fā)電站、核電站、蒸汽機車、鍋爐等高溫高壓設備中，為防止煤氣泄漏，防止人身事故，可采用濕度傳感器進行泄漏檢測。

（4） 其他系統(tǒng)

在家用電器中，濕度傳感器可用于加濕器、除濕器、空調器、酒柜、干衣機等的濕度測量。

Arduino

溫濕度傳感器

一塊PCF8574T轉接板

1602 LCD一塊

一塊試驗板

多條連接線

Arduino IDE

本項目直接使用PCF8574T適配板驅動1602液晶顯示器，節(jié)省了大量的Arduino IO端口，節(jié)省了大量的布線麻煩。PCF8574T適配板包含四個接口：VCC、GND、SDA和SCL。分別連接：VCC-5V，GND-GND，SDA-A4，SCL-A5。

溫度和濕度傳感器包含3個引腳，從網格側面看，從左到右分別是數(shù)據(jù)、VCC和GND。這樣連接：DATA-A0，VCC-3.3V，GND-GND。

圖7。電路連接

圖8。實驗結果

/*

* Use temperature and humidity sensor to detect information and display it on the LCD

*/

#include "Wire.h" // Import libraries needed to drive LCD

#include "LiquidCrystal_I2C.h"

#include "dht.h" // Import dht library for temperature and humidity sensor

#define dht_pin A0 // Connect the data port of the temperature and humidity sensor to A0

dht DHT;

// Set up LCD

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // 0x27 is the address of the I2C bus

void setup() {

// Delay waiting for system initialization

delay(1000);

// Initialize LCD

lcd.init();

// Turn on the screen backlight

lcd.backlight();

// LCD screen displays Humidity(%):

lcd.print("Humi(%): ");

// LCD screen displays Temp(C):

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("Temp(C): ");

}

void loop() {

// Read the data of the temperature and humidity sensor

DHT.read11(dht_pin);

// LCD displays the collected temperature and humidity data

lcd.setCursor(8,0);

lcd.print(DHT.humidity,1);

lcd.setCursor(8,1);

lcd.print(DHT.temperature,1);

delay(1000);

}

代碼編譯無問題后，點擊按鈕上傳到Arduino UNO板。編程無問題后，可以在液晶屏上觀察結果。如果濕度沒有變化，你可以試著在傳感器處松一口氣，然后觀察數(shù)值的變化。

1什么是濕度傳感器？

濕度傳感器（或濕度計）可感應、測量并報告濕度和空氣溫度。在特定空氣溫度下，空氣中的水分與最高水分的比率稱為相對濕度。相對濕度成為尋找舒適感的一個重要因素。

2濕度傳感器如何工作？

濕度傳感器通過檢測改變空氣中電流或溫度的變化來工作。。。電容式濕度傳感器通過在兩個電極之間放置一條金屬氧化物來測量相對濕度。金屬氧化物的電容量隨大氣相對濕度的變化而變化。

3有多少種濕度傳感器？

有三種主要類型的濕度傳感器被使用，它們圍繞著什么方法來感知濕度并傳遞可用于確定數(shù)值的電信號進行定義。這些類型的濕度傳感器包括電容式濕度傳感器。電阻式濕度傳感器。

4濕度傳感器是模擬的還是數(shù)字的？

濕度傳感器以兩種不同的方式測量和報告濕度水平-模擬或數(shù)字（又名離散）。數(shù)字傳感器能夠在規(guī)定的范圍內監(jiān)測操作條件。。。模擬傳感器更先進，通過精確測量提供對當前狀況的連續(xù)可視性。

5為什么要使用濕度傳感器？

濕度傳感器是一種電子設備，用于測量和報告周圍環(huán)境（如空氣、土壤或密閉空間）的濕度和空氣溫度。濕度測量表明空氣中的水蒸氣濃度。

6什么是絕對濕度傳感器？

ABS-300是一種熱導式絕對濕度傳感器。該傳感器通過量化干燥空氣和含有水蒸氣的空氣的熱導率差異來測量絕對濕度。。。如果已知溫度和壓力，絕對濕度很容易轉化為相對濕度。

7濕度傳感器有多精確？

數(shù)字相對濕度傳感器通常在整個0-100%相對濕度范圍內精確到正負3%的相對濕度，但在50%相對濕度下更接近正負2%。。。校準相對濕度傳感器最簡單的方法是在密封容器中使用食鹽和水。

8什么是濕度傳感器？

濕度傳感器通常用于連接控制器的實驗室，以保持恒定的濕度。。。濕度傳感器可以將空氣濕度的物理量轉換為標準信號，并將其傳輸?shù)娇刂破鳌?/span>

9濕度傳感器如何感知空氣中的濕氣？

電容式濕度傳感器通過在兩個電極之間放置一條金屬氧化物來測量相對濕度。金屬氧化物的電容量隨大氣相對濕度的變化而變化。這些類型的傳感器用于氣象、商業(yè)和工業(yè)應用。

電阻式濕度傳感器利用鹽中的離子來測量原子的電阻抗。隨著濕度的變化，鹽介質兩側電極的電阻也隨之變化。最先進的電阻式濕度傳感器使用陶瓷來克服出現(xiàn)冷凝的區(qū)域。

熱導率傳感器測量熱量的變化以檢測濕度。兩個熱傳感器根據(jù)周圍空氣的濕度導電。一個傳感器封裝在干燥的氮氣中，與另一個測量環(huán)境空氣的傳感器進行比較。兩者之間的差別測量濕度。

10溫度傳感器和濕度傳感器的區(qū)別是什么？

溫度傳感器：溫度是最常見的環(huán)境參數(shù)。溫度在我們的家庭和工業(yè)中起著重要的作用。在過去的幾年里，我們能夠通過溫度傳感裝置來監(jiān)測和控制環(huán)境參數(shù)。溫度傳感器是一種電子設備，用于檢測和測量不同環(huán)境條件下的精確溫度水平。市場上有許多價格合理的溫度傳感器可用于測量準確的溫度水平。

濕度傳感器：濕度是另一個最可測量的環(huán)境參數(shù)。我們家和倉庫的高濕度增加了產品和物品受損的可能性。過去，由于缺少感應設備，我們無法檢測到準確的濕度水平。濕度傳感器是一種電子設備，用于測量濕度水平，并通過我們的移動電話從任何地方改變濕度水平。濕度傳感器檢測水、空氣和土壤中的濕度水平。我們可以很容易地在家里和辦公室里使用濕度傳感器。